全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 愿期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
海洋浮游纤毛虫生长率研究进展 张武昌袁李海波袁丰美萍袁等 渊员愿怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 王晓磊袁王摇 成 渊员怨员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雪地生活跳虫研究进展 张摇 兵袁倪摇 珍袁常摇 亮袁等 渊员怨圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
黄河三角洲贝壳堤岛叶底珠叶片光合作用对 悦韵圆浓度及土壤水分的响应
张淑勇袁夏江宝袁张光灿袁等 渊员怨猿苑冤
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米槠人促更新林与杉木人工林叶片及凋落物溶解性有机物的数量和光谱学特征
康根丽袁杨玉盛袁司友涛袁等 渊员怨源远冤
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利用不同方法测定红松人工林叶面积指数的季节动态 王宝琦袁刘志理袁戚玉娇袁等 渊员怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
环境变化对兴安落叶松氮磷化学计量特征的影响 平摇 川袁王传宽袁全先奎 渊员怨远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 程立平袁刘文兆袁李摇 志 渊员怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土壤水分胁迫对拉瑞尔小枝水分参数的影响 张香凝袁孙向阳袁王保平袁等 渊员怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遮荫处理对臭柏幼苗光合特性的影响 赵摇 顺袁黄秋娴袁李玉灵袁等 渊员怨怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
漓江水陆交错带典型立地根系分布与土壤性质的关系 李青山袁王冬梅袁信忠保袁等 渊圆园园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
梭梭幼苗的存活与地上地下生长的关系 田摇 媛袁塔西甫拉提窑特依拜袁李摇 彦袁等 渊圆园员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
模拟酸雨对西洋杜鹃生理生态特性的影响 陶巧静袁付摇 涛袁项锡娜袁等 渊圆园圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
岩溶洞穴微生物沉积碳酸钙要要要以贵州石将军洞为例 蒋建建袁刘子琦袁贺秋芳袁等 渊圆园圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂东北稻区第七代褐飞虱迁飞规律及虫源分析 齐会会袁张云慧袁蒋春先袁等 渊圆园猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
鄱阳湖区灰鹤越冬种群数量与分布动态及其影响因素 单继红袁马建章袁李言阔袁等 渊圆园缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
雪被斑块对川西亚高山两个森林群落冬季土壤氮转化的影响 殷摇 睿袁徐振锋袁吴福忠袁等 渊圆园远员冤噎噎噎噎噎
小秦岭森林群落数量分类尧排序及多样性垂直格局 陈摇 云袁王海亮袁韩军旺袁等 渊圆园远愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园员圆年夏季挪威海和格陵兰海浮游植物群落结构的色素表征 王肖颖袁张摇 芳袁李娟英袁等 渊圆园苑远冤噎噎噎噎
云南花椒园中昆虫群落特征的海拔间差异分析 高摇 鑫袁张立敏袁张晓明袁等 渊圆园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人工湿地处理造纸废水后细菌群落结构变化 郭建国袁赵龙浩袁徐摇 丹袁等 渊圆园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱区尾闾湖生态需水估算要要要以东居延海为例 张摇 华袁张摇 兰袁赵传燕 渊圆员园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
秦岭重点保护植物丰富度空间格局与热点地区 张殷波袁郭柳琳袁王摇 伟袁等 渊圆员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 刘摇 佳袁同小娟袁张劲松袁等 渊圆员员愿冤噎噎噎噎噎
黄土丘陵区油松人工林生态系统碳密度及其分配 杨玉姣袁陈云明袁曹摇 扬 渊圆员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林碳储量变化趋势 田大伦袁李雄华袁罗赵慧袁等 渊圆员猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
湘南某矿区蔬菜中 孕遭尧悦凿污染状况及健康风险评估 吴燕明袁吕高明袁周摇 航袁等 渊圆员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
北京市主要建筑保温材料生命周期与环境经济效益评价 朱连滨袁孔祥荣袁吴摇 宪 渊圆员缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城市地表硬化对银杏生境及生理生态特征的影响 宋英石袁李摇 锋袁王效科袁等 渊圆员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆苑远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 冷杉红桦混交林雪要要要冷杉是松科的一属袁中国是冷杉属植物最多的国家袁约 圆圆 种 猿 个变种遥 冷杉常常在高纬度
地区至低纬度的亚高山至高山地带的阴坡尧半阴坡及谷地形成纯林袁或与性喜冷湿的云杉尧落叶松尧铁杉和某些松树
及阔叶树组成针叶混交林或针阔混交林遥 冷杉具有较强的耐阴性袁适应温凉和寒冷的气候袁土壤以山地棕壤尧暗棕
壤为主遥 川西尧滇北山区的冷杉林往往呈混交状态袁冷杉红桦混交林为其中重要的类型遥 雪被对冷杉林型冬季土壤
氮转化影响的研究对揭示高山森林对气候变化的响应及其适应机制提供重要的理论支持遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 8 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.8
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:林业公益性行业科研专项(201304301鄄05); 国家“十二五冶科技支撑计划重大项目(2011BAD38B03)
收稿日期:2013鄄05鄄30; 摇 摇 修订日期:2014鄄01鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wch8361@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201305301239
王晓磊, 王成.城市森林调控空气颗粒物功能研究进展.生态学报,2014,34(8):1910鄄1921.
Wang X L, Wang C.Research status and prospects on functions of urban forests in regulating the air particulate matter.Acta Ecologica Sinica,2014,34(8):
1910鄄1921.
城市森林调控空气颗粒物功能研究进展
王晓磊, 王摇 成*
(中国林业科学研究院林业研究所, 国家林业局城市森林研究中心, 国家林业局森林培育重点实验室, 北京摇 100091)
摘要:受城市扩张、工业发展、汽车保有量增加的影响,空气颗粒物目前已成为诸多城市空气的首要污染物。 而城市森林作为城
市生态建设中最大的唯一具有自净功能的生态系统,不仅为城市高污染环境下的居民提供了相对洁净的休闲游憩空间,还对净
化空气颗粒物起重要作用。 从城市森林调控空气颗粒物的机理、分析方法、植物个体、群落及不同类型城市森林调控空气颗粒
物的功能差异及其时空变化规律等方面进行阐述。 结果表明:目前有关物理降尘的研究较多,涉及化学除尘的研究尚缺;应用
重量法测定植物滞尘量的研究较多,质量浓度法测定城市森林净化空气颗粒物功能的研究较少。 在未来一段时间,森林植被化
学除尘的过程与机理,城市森林调控空气颗粒物的多方面、系统性研究及相关研究成果的转化与实际应用将会是重要的研究
方向。
关键词:城市森林;空气颗粒物;调控功能
Research status and prospects on functions of urban forests in regulating the air
particulate matter
WANG Xiaolei, WANG Cheng
Research Institute of Forestry of CAF, Research Center of Urban Forest of the SFA, Key Laboratory of Forest Silviculture of the SFA, Beijing 100091, China
Abstract: By the impact of urban expansion, industrial development and increased car ownership, air particulate matters
have been becoming the primary pollutant in many cities. As the largest and unique ecological system with a self鄄cleaning
function in urban ecological construction, the urban forest not only provides a relatively clean recreation space for residents
in the city under the polluted environment, but also plays an important role in purifying the pollution of air particulate
matter. In this paper, the regulating function of urban forests was explicated from several aspects including regulation
mechanism, analysis method, and functional variation and spatial鄄temporal variation pattern of different individuals and
urban forest types in regulating the air particulate matter. Results indicated that: there have been relative more studies on
regulation mechanism involving in physical dustfull while the study on chemical cleaning of dust is lack; Application of the
weight method for determining of vegetation dust retention draws more attention while study on the concentration method
application for purifying air particulate matter of the environment in urban forest is relatively less. In the near future, the
processes and mechanism of chemical dust鄄removal by forests, and all鄄around regulating effects of urban forests should be
systematically studied, and transformation and practical application of the research findings will be an important direction.
Key Words: Urban forest;air particulate matter;regulatory function
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摇 摇 随着城市化进程的快速推进、工业化的迅速发
展和汽车保有量的持续增加,空气颗粒物 (尤其
PM2.5)已成为目前国内外许多城市空气的首要污染
物,因其不仅本身是污染物,还是其他有毒有害污染
物的载体而备受社会各界广泛关注。 自 20 世纪中
期起,美国和欧洲一些国家就对空气颗粒物开展了
广泛的研究,我国于 20 世纪 80 年代陆续开始,目前
研究内容主要集中在来源分析[1鄄2]、成分解析[3鄄4]、危
害评价[5鄄7]、变化规律[8鄄9]等方面。 随着人们保健意
识的增强,空气质量得到前所未有的重视,城市森林
调控空气颗粒物作用的研究也就得到了较快发展。
城市森林作为城市生态建设中最大的唯一具有自净
功能的生态系统,不仅为城市污染环境下的居民提
供了相对洁净的休闲游憩空间,在净化空气颗粒物
方面也发挥着独特的生态功能[10鄄12]。 因此,本文从
城市森林调控空气颗粒物的机理、研究方法、不同城
市森林调控空气颗粒物的功能差异、城市森林内空
气颗粒物的时空变化四方面总结了城市森林调控空
气颗粒物的研究现状,并对今后的研究方向进行了
展望,以期为城市森林生态效益研究及城市森林布
局优化提供参考。
1摇 城市森林调控空气颗粒物的机理
城市森林之所以被称为“天然的空气过滤器冶,
主要源于其能够净化空气中的各类污染物。 在大气
污染问题比较突出的城市化地区,了解城市森林调
控空气颗粒物的内在机制,是科学培育调控 PM2.5等
空气颗粒物污染能力强的城市森林的基础。 目前对
于城市森林降尘机制机理方面的研究主要表现在物
理降尘和化学除尘两个方面。
1.1摇 城市森林的物理降尘
气流是空气颗粒物的载体,城市森林物理降尘
主要是通过改变气流运动速度、方向来降尘,并通过
城市森林特殊的叶面结构及复杂的冠层结构来吸
附、阻滞粉尘,目前的研究主要包括:
(1)城市森林的动力阻塞机制
城市森林发挥障碍物的作用,通过改变气流的
速度和方向,影响颗粒物的传播距离、传播方向和传
播数量。 当含尘气流流经树冠时,受其阻碍,林内风
速降低,空气中携带的一部分粒径较大的颗粒物搬
运能力下降,重力沉降加快,使空气中颗粒物浓度降
低、传播距离缩短[13鄄16]。 这种阻碍作用对 TSP 和
PM10的影响较为显著,对 PM2.5没有明显影响[14鄄16]。
(2)城市森林的巨大滞尘空间
非生物如城市建筑等表面虽能承载一定数量的
粉尘,但与植物滞尘相比,其粗糙程度低,面积单一,
降尘量小且很容易被风吹起。 而植物叶表面的微结
构、单位地面积上巨大的叶面积和复层空间结构为
空气颗粒物滞留或停着提供了有力条件和巨大空
间,加之植物能扩大叶面积,并更新新叶,因此,非生
物的滞尘效果远不能所及。 这种滞留或停着作用一
定程度上与叶表面积呈正相关关系[17],并受冠层结
构的影响[18]。 滞留或停着的颗粒物极不稳定,在风
及小雨的影响下,会重新返回空气中或被雨水淋
洗掉[13]。
(3)叶面的颗粒附着、粘附力
植物叶片的表面特性和本身的湿润性能够附
着、粘附大量空气颗粒物[12,19]。 附着或粘附的空气
颗粒物相对稳定,需依靠较大的雨量 (一般认为
15mm以上)和风力才能冲刷掉[19鄄21]。 甚至有学者
发现深度清洗仍不能彻底清除叶片表面颗粒物[21],
深藏在叶表面密集脊状突起间沟槽内的颗粒物即使
15mm的降雨也不易将其冲掉[22]。
(4)森林冠层有效减小地表扬尘扰动
在风力和冠层枝叶撞击等外力作用下,落在枝
叶表面的颗粒物一部分会快速弹回空气中,地面粉
尘也会因风的作用再次进入空气,引起二次扬
尘[23鄄26]。 与无林地或地表裸露状况严重区域相比,
布局合理的城市森林不仅通过其茂密的树冠及复层
结构有效降低风速,对因风力而重返空气的粉尘起
到再次截留的作用,其地表的枯枝落叶、草丛或地被
等还能有效避免或减少二次扬尘的发生[10鄄11,15]。
1.2摇 城市森林的化学除尘
城市森林化学除尘主要是与森林植被生长代谢
有关的除尘。 目前这方面研究尚不深入,但一个不
争的事实是:城市森林内空气洁净度高,空气颗粒物
相对较少[27鄄29]。 森林的化学除尘可能包括如下几
方面:
(1)城市森林内空气负离子的中和作用
研究表明,城市森林环境中的空气负离子浓度
远高于都市地带[30鄄31],通常来说空气颗粒物特别是
PM2.5等细颗粒物都是带正电荷的微小粒子,那么森
1191摇 8期 摇 摇 摇 王晓磊摇 等:城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 摇
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林中的空气负离子对于这种细颗粒物的清除应该是
有帮助的,目前仅有部分学者[29,32]研究发现空气负
离子与空气颗粒物呈负相关关系,但具体机理方面
的研究还比较缺乏。
(2)城市森林内温湿度的影响
植物通过荫蔽和蒸腾作用降低大气温度,增加
空气湿度。 温度降低能够降低化学反应活动,减少
由此产生的二次污染物;湿度增加将增加细尘的重
量和黏性,从而减少细颗粒物在空气中悬浮的时间,
加快其沉降,这种方式调控空气颗粒物的作用有待
于进一步研究。
(3)城市森林内植物有机挥发物的作用
植物生长发育过程中能分泌出的萜烯类、醚、
醛、酮等大量植物有机挥发物,具有杀菌、抑菌作
用[29,33鄄34],对有效减少空气中粉尘携带有害微生物
的几率,减小空气颗粒物对人体的危害具有重要意
义,但这些有机挥发物是否具有滞附粉尘的作用还
尚待证明。
(4)城市森林的“吸收消化冶功能
植物通过气孔和皮孔与外界进行气体交换,这
个过程中可将大气污染物吸收入体内,并在体内通
过氧化还原过程进行降解,或通过根系排出体外,或
积累贮藏于某一器官内,从而达到净化污染物的作
用[35]。 植物对二氧化硫、氟化氢等气态污染物和
铅、镉等重金属具有一定的吸收净化能力[13,35鄄36],那
么,植物能否通过叶片角质层、表面细胞产生化学交
换和化学吸附? 是否能够将 PM2.5等细颗粒物吸附
进体内,并通过植物体内的输导系统将其吸收、分解
和代谢? 这种作用是靠浓度扩散还是其它方式,这
方面还没有细致的研究和证据。
2摇 城市森林调控空气颗粒物的主要分析方法
城市森林调控空气颗粒物的功能主要包括植物
本身的滞尘和净化森林环境中的空气颗粒物两方
面,与之对应,分析方法主要为重量法和质量浓度
法。 前者经过采样、清洗、过滤、烘干、称重等程序,
运用差重法测定得到单位叶面积滞尘量(单位干生
物量滞尘量),再通过单位滞尘量与单株、群落的叶
片总叶面积(植株干生物量)等换算单株或群落的滞
尘能力。 后者主要是直接使用基于 Bata射线法或微
量振荡天平法测量原理的颗粒物监测仪监测城市森
林环境中不同粒径空气颗粒物的质量浓度;另一种
是采用中流量或大流量采样器抽取一定体积的空
气,使之通过已恒重的滤膜,使颗粒物滞留在滤膜
上,根据采样前后滤膜重量之差及采样体积,来计算
颗粒物的质量浓度。
重量法是最直接、技术最成熟的测定植物滞尘
量的方法,主要用于滞尘总量估算[18,37鄄38]、滞尘格局
分析[16,26]、植物和群落功能对比研究[39鄄41]等。 该方
法通过清洗叶片能够相对准确的评估植株的滞尘
量,但无法分析叶片对 PM10、PM2.5和 PM1的吸滞量。
目前,如何把植物吸滞的粉尘按照粒径等级区分开
来是个难题,中国林业科学研究院研制了空气颗粒
物气溶胶再发生器[42],它将叶片阻滞的颗粒物重新
吹起再分级监测,为测定 PM10、PM2.5提供了新的方
法,但问题的核心是这些不同粒径的粉尘是否还是
在植物表面累积过程中原始的状态,是否发生了重
组不再是原始状态的粒径比例? 这些问题还有待于
研究验证。 质量浓度法操作简便,可实现自动、连续
监测,并同步测定 TSP、PM10、PM2.5、PM1的质量浓
度,多应用于大气环境监测业务中[43],对于了解空
气颗粒物的扩散、传播等动态变化具有重要意
义[44鄄45]。 近几年,随着人们对空气质量的日益重视,
运用浓度法监测城市森林调控空气颗粒物的功能也
逐渐成为空气颗粒物研究的一个重要方向[27,46]。 但
由于刚刚起步,还需要深入细致系统研究,以便为居
民适时适地游憩、出行等提供参考依据。
3摇 不同城市森林调控空气颗粒物功能差异
3.1摇 植物个体滞尘能力差异
受植物形体大小和枝叶自身特性的影响,植物
个体间滞尘能力差异显著,这种差异既表现在单位
滞尘量[47],也表现在全株最大滞尘量方面[48鄄50]。 不
同树种单位面积和单叶滞尘量最大的差异可达到近
十倍和数十倍[47],全株最大滞尘量相差几十倍以
上[48鄄49],甚至有学者发现不同树种单位滞尘量相差
上万倍[50]。 叶片形态结构特征的不同是引起个体
滞尘能力差异的主要原因,叶表面粗糙、多绒毛、具
沟状组织和分泌液的树种单位叶面积吸附粉尘的能
力强,而叶面光滑、细胞排列整齐的滞尘能力相对较
弱[20,38,48,51]。 枝干叶的着生方式[23]、 叶表面形
状[20]、叶量[41]、叶面倾角[47]和叶面积[17]等也会影
2191 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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响植物个体的滞尘能力。 另外,叶表面结构对所吸
附空气颗粒物的粒径具有选择性,叶片蜡质层的厚
度与 2.5—10滋m的空气颗粒物吸附量显著正相关,
但与其他粒径颗粒物吸附量的相关性不显著[52]。
不同生活型的城市森林滞尘能力有所差别。 高
大的乔木能够阻滞、过滤外界的降尘和飘尘,低矮的
灌木、草本、地被等则能有效减少地面扬尘[39]。 从
总的滞尘量来看,高大的乔木可以大大降低绿地及
周围的风速,为有效截留并吸收粉尘提供了有利的
条件[41,53]。 就针叶树和阔叶树而言,一般认为针叶
树的滞尘能力大于阔叶树种。 Beckett[11]、Tallis[54]
等认为针叶植物由于其复杂的枝叶空间分布结构对
小颗粒物的沉降能力显著高于阔叶树种,且阔叶树
种由于非生长季树叶凋落,其降尘作用极大被削弱。
就单位叶面积滞尘能力来说,多数学者发现灌木植
物的滞尘量大于乔木植物,这可能主要是垂直高度
不同,接受灰尘量不同的缘故[39,49]。
3.2摇 城市森林群落调控空气颗粒物能力差异
在对单种植物滞尘能力研究的基础上,许多学
者对居住区绿地、工业区绿地等各种功能区群落的
滞尘效应进行了大量研究[37,40,55]。 不同类型城市森
林调控空气颗粒物的能力差异显著,总体来讲,较高
的森林比较矮植物和草地对颗粒物的沉降作用要
强[10,56鄄58],具乔、灌、草垂直复层结构、绿量高的城市
森林滞尘最为理想,而结构单一、立体绿量少的单层
结构滞尘效果相对较差[12,41,59鄄61]。 另外,同种结构
城市森林对不同粒径空气颗粒物的调控作用也有区
别。 郭二果[29]研究发现,与城区公园内相比,游憩
林对 TSP、PM10、PM2.5和 PM1的日均减尘率分别为
68.93%、78.12%、89.45%和 90.71%。
需要指出的是,城市森林群落滞尘能力与其调
控林内空气颗粒物的能力并不一直呈正相关,一般
而言,城市森林种植密度、郁闭度和覆盖度越大,总
的滞尘量越大,但若超过一定的阈值,群落滞尘量虽
然还在增大,但此时林内空气中的颗粒物不容易扩
散,可能就导致其浓度增高,也即此时城市森林的调
控作用不明显甚至表现为负效应[59,62鄄64]。 因此,根
据功能需求合理布局植物群落是城市森林建设中需
要着重考虑的问题之一。
4摇 城市森林调控空气颗粒物的时空变化规律
城市森林调控空气颗粒物是一个复杂的动态过
程,受滞尘累积时间、昼夜、季节、植物所处环境、高
度等诸多因素影响,呈现出一定规律。
4.1摇 城市森林叶片滞尘的时间变化
随时间推移,植物叶片的滞尘量不是无限增长,
具有“饱和性冶和“可塑性冶 [21,65鄄66],并呈现一定日变
化和季节变化。 受植物叶面滞尘和粉尘脱落同时存
在的影响,植物滞尘是一个复杂的动态过程,有学者
认为 1d 内植物叶片累计滞尘量与时间不呈线性相
关关系[51,65],也有学者发现叶片的滞尘量随时间的
推移整体呈增加趋势[26]。 城市森林的滞尘因季节
不同而呈现一定规律,就植物本身而言,冬季植物叶
量少,甚至落叶,加之生理活动基本停止,滞尘能力
较弱,而夏季滞尘作用最强。 但在未达到饱和之前,
植物滞尘的季节变化主要受季节性气候条件、大气
污染程度、所处地域及周围环境等因素影响,方
颖[50]研究南京市主要绿化树种净化 TSP 发现,大部
分树种叶片滞尘量春季高、夏季降低、秋季增高、冬
季达最高,吴晓娟等[67]也发现类似趋势。 还有学者
研究北方常绿树种滞留污染物的质量浓度发现冬季
滞尘量最大,秋季最小[14,68]。
另外,植物生长的阶段影响其滞尘能力。 董希
文等[69]研究发现,银中杨(Populus alba伊berolinensis)
大树和幼树的单位叶面积滞尘量存在差异,由于苗
期叶片相对较大,叶表粗糙,特别是背面多毛,因此
滞尘量较大;而大树的叶片小叶居多,且较光滑,单
位滞尘量相对较少。
4.2摇 不同类型城市森林内空气颗粒物的时间变化
受天气条件、小气候因素、污染排放状况及森林
生理功能等因素综合影响,城市森林环境中空气颗
粒物浓度呈现明显时间变化。 关于日变化规律,目
前主要围绕城区绿地[70鄄71]、城郊片林[72鄄73]、道路景
观林[74]、森林公园[75]等类型而展开,基本呈现“早
晚高、白天低冶的双峰格局,且夜间高于白天,但峰、
谷出现的具体时间因地而异。 城区绿地、城郊片林
和道路林空气颗粒物浓度与人流、车流量显著正相
关,早、晚上下班期出现高峰[70鄄74];森林公园等旅游
地则主要受用煤量、游客数量等因素影响,高峰出现
在用餐前后[75]。 另外,不同粒径空气颗粒物浓度日
变化规律不完全一致,不同天气条件对其影响也不
同。 细颗粒物白天高峰和夜间低谷出现时间提前,
而白天低谷和夜间高峰却有所滞后。 多云、雾霾天
3191摇 8期 摇 摇 摇 王晓磊摇 等:城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 摇
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和桑拿天使空气颗粒物浓度污染加重;雨、雪能够降
低大气颗粒物浓度;风在雨后能使空气颗粒物在一
定程度上扩散减少,而在天气干燥时刮风会增加城
市森林内颗粒物的浓度,且多云会加重干燥天气刮
风后大气颗粒物的污染程度[29,72,76鄄77]。
城市森林净化空气颗粒物的季节变化规律与城
市空气颗粒物背景浓度、植物生理活动密切相关,在
城市大环境空气颗粒物浓度较低、植物生理活动最
为旺盛的夏、秋季城市森林净化空气颗粒物的效果
最为明显,而在城市环境背景浓度高、树木停止生理
活动的冬季效果较差[71]。 受多种因素影响,不同粒
径空气颗粒物季节变化规律并不一致。 目前只有少
数学者进行了这方面的初步分析。 对北方城市森林
而言,有学者等认为,4 种粒径颗粒物浓度均在秋季
最低,但 TSP、PM10浓度春季最高,PM2.5浓度夏季最
高[74];也有学者发现,PM10、PM2.5、PM1浓度冬季最
高,夏季次之;PM10浓度秋季最低,PM2.5和 PM1浓度
春季最低,并认为北方地区春季沙尘天气对大粒径
颗粒物浓度贡献较大,冬季燃煤、雾霾天和夏季“桑
拿天冶对细颗粒物的贡献最大[78]。 而对南方城市的
研究表明,游憩林中 PM2.5浓度在春季最高,冬、秋季
次之,夏季最低,这可能主要与南北方气候差异及春
季北方沙尘中的细颗粒物长距离输送有关[73]。
4.3摇 城市森林调控空气颗粒物空间范围
城市森林净化空气颗粒物的作用,在一定空间
范围内比较显著,达到一定阈值后,将不再明显,也
即会形成较稳定的“森林内环境冶。 因此,了解不同
结构城市森林调控空气颗粒物的空间范围和空气颗
粒物的扩散规律,对科学合理规划城市公园、街头绿
地、游憩林及道路防护林具有重要意义。 目前直接
研究空气颗粒物的文献较少,但对城市交通污染物
或空气颗粒物的主要组成成分———重金属的研究较
为丰富,为今后研究城市森林调控空气颗粒物的作
用奠定了基础。
4.3.1摇 道路林带宽度与结构
关于道路林带调控空气颗粒物的研究,目前多
数通过采集叶面尘来探讨其滞尘作用,认为:公路两
侧防护林树木叶片表面空气颗粒物数量随距公路距
离的增加呈递减趋势[79]。 对道路空气中的颗粒物
浓度的有限研究往往集中于城市不同等级道路间的
比较[80],而对林带(尤其不同宽度林带)影响下的道
路空气颗粒物空间分布的报道较少[81]。 目前,仅有
部分学者对道路林带内的空气颗粒物的主要组成成
分———重金属进行研究,试图得到最佳的道路防护
林带宽度,但研究结果尚存争议。 王成等[82]试验表
明:对于日均车流 6万辆的公路而言,高速公路两侧
80m范围是重金属污染最集中的扩散区域;而 40—
60m宽林带对降低日流量 5—8 万辆汽车的高速公
路重金属污染防治效果较好。 还有学者认为,为防
止重金属污染,道路防护林应不小于 20m[83],
40m[84]或 50m[85]。 但 Fowler 等[57]以铅为示踪物研
究污染严重的道路防护林发现:林内 100m铅浓度高
于 5m处的浓度,且林缘土壤中的铅含量也较高。 因
此,道路林带净化空气颗粒物的作用还有待于深入
系统研究。
道路林带净化空气颗粒物的作用受林带结构,
如疏透度、高度、宽度、密度、郁闭度等协同影
响[12,63,81,86]。 对城市道路交通污染物来说,其扩散
速率很大程度上受到气流铅直湍流强度的影响。 行
道树冠幅小、株间距大、密度小,街谷内有较大的风
速梯度,有利于机械湍流的增强,扩散效果好。 但在
植株间距较密,枝杈搭接时,树冠会在道路上方形成
顶盖效应,在吸收污染物的同时也会降低风速,减小
街区内部气流的垂直涡动,减弱林带内外气流的垂
直交换,阻碍污染物向上层大气扩散,导致道路两侧
污染物浓度升高[46,62鄄63, 85,87鄄89,]。 殷彬等[63]还发现
TSP 的净化百分率与郁闭度呈正相关,与疏透度呈
负相关关系;郁闭度的最佳范围为 0.70—0.85,疏透
度的最佳范围为 0.25—0.33。
4.3.2摇 片林面积与结构
关于城市片林调控空气颗粒物空间范围方面的
研究目前较少,多数学者认为林内空气颗粒物浓度
低于林缘,随着距污染源距离的增加其浓度逐渐递
减。 Cavanagh等[27]观测新西兰冬季常绿阔叶林内
PM10的污染状况发现,冬季林内 PM10浓度由林缘向
林内呈现衰减趋势,从外部的 31.5滋g / m3降低到了林
内 50m处的 22.4滋g / m3。 张晶[90]观测不同公园竹林
内的空气颗粒物发现,林内浓度均小于林缘,且林分
密度大林内的浓度大于密度较小竹林,但具体影响
范围和最佳密度不得而知。 任启文等[15]研究城市
片林空气细菌含量表明,能起到较好抑菌作用的林
地宽度要大于 30m,也即在城市绿化建设中,如果从
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降低空气细菌含量方面考虑,建设绿地面积>900m2
才能形成“森林内环境冶,为居民提供良好的游憩地,
该研究结果对城市片林调控空气颗粒物的作用具有
重要借鉴意义。
片林的结构明显影响污染物的浓度和扩散。 从
城市片林滞尘能力来讲,绿量越多,郁闭度、盖度越
大,对降尘截滞作用越明显[12,54];但从城市片林中的
空气颗粒物浓度角度来讲,它与绿量、郁闭度、覆盖
率等结构指标未必呈正相关关系。 刘立民等[91]认
为地域相对绿量与大气污染物浓度之间存在绿化效
益最佳阈值区。 在绿量增加初期,污染物浓度下降
较快,当绿量达到一定值后,污染物浓度下降开始明
显减缓;当绿量继续增加,达到一个较高的量值时,
污染物浓度下降变得不明显。 还有学者发现,郁闭
度过大、地被物覆盖度太高会导致林内颗粒物浓度
长时间居高不下[29]。
5摇 研究展望
随着城市化的快速发展,包括颗粒物在内的大
气污染问题将会日益突出,如何通过建设城市森林
来缓解大气污染,为居民提供清新的空气、提供健康
的游憩场所是未来城市发展面临的重要课题。 总的
来看,城市森林与空气颗粒物之间关系的研究有如
下趋势:
(1)城市森林调控空气颗粒物的机理
城市森林的物理降尘功能目前已经广为接受,
研究也已经逐步由宏观转向微观,结合叶表面微观
结构分析植物的滞尘能力,已成为目前研究植物滞
尘机理的一个重要途径。 那么,除了物理降尘外,森
林调控空气颗粒物的生理过程和生态响应机制怎
样,森林植被在生长代谢过程中是否产生化学除尘、
如何进行化学除尘、化学除尘的粒径在什么范围、化
学除尘的功效有多少等问题还有待于在细胞、组织、
器官和个体水平上深入研究和探讨。 另外,加强城
市森林内空气颗粒物的组成成分研究以及与城市森
林固碳释氧、降温增湿、杀菌抑菌等生态功能相结合
研究,对揭示城市森林调控空气颗粒物的机理具有
重要意义。
(2)城市森林调控空气颗粒物的研究方法
重量法和质量浓度法是目前研究城市森林调控
空气颗粒物作用的两种基本方法,随着研究趋向微
观,利用重量法研究较微观尺度的颗粒物时,传统的
方法可能就不再适用,分析其重量时可能需要高端
的采样器和较高灵敏度的粒径分析仪。 质量浓度法
测定方面,目前主要使用便携式仪器,将仪器置放于
一定的城市森林环境中监测某一天或几天的相对瞬
间值,加强城市森林中空气颗粒物的长期定位观测
将是今后研究的重点之一。
(3)城市森林群落结构与调控空气颗粒物功能
的关系
一般而言,大粒径颗粒物主要靠重力或惯性作
用沉降,而细颗粒物呈悬浮状,主要通过布朗运动扩
散,受气流影响大于重力等其他外力的影响。 而陆
地表面的覆盖状况间接影响大气环流和气候,进而
影响了空气颗粒物的扩散。 不同结构、不同类型、不
同尺度城市森林调控空气颗粒物的功能具体有多
大,扩散通量、干湿沉降有多少,城市森林如何影响
空气颗粒物扩散、沉降和循环等这方面的研究尚属
空白,因此,有待于加强试验模拟与实地结合的定量
研究,以分析城市森林调控空气颗粒物的作用,揭示
林内空气颗粒物的扩散规律、循环过程,获取最佳、
最科学的群落指标和植物配置,为治理城市空气颗
粒物污染和合理经营与营造城市森林提供科学
依据。
(4)城市森林调控空气颗粒物的“汇冶与“源冶关
系与技术
目前对森林滞尘方面的研究主要注重其“汇冶的
作用,即树木枝叶截留、吸附粉尘,但对林地的“尘
汇冶功能研究却很少。 城市森林“尘汇冶的核心是要
靠林地的吸纳能力,无论是空气中降落的还是雨水
从枝叶冲刷下来的,把“尘冶留在林地里是最主要的。
因此,绿地地表的结构特性非常重要。 美欧国家对
有机覆盖物(Mulch)的研究与应用历史悠久而且技
术成熟,城市绿地中Mulch使用极为普遍[92],有效增
加了城市森林的滞尘能力,减少了二次扬尘现象。
在中国,由于城市绿地管理大多采用了农业上的“松
土除草、焚烧落叶冶等传统的园艺技术,地表覆盖相
对较少,土壤裸露,极易引起二次扬尘,甚至反复扬
尘,加大了城市空气颗粒物的污染,从这一角度来
看,在林地结构不合理尤其地表经营管理不当时,城
市绿地反而是一个巨大的 “尘源冶。 因此,加强裸露
地面的有机覆盖无疑是消减城市空气颗粒物“源冶的
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重要措施之一。 通过研究不同地表覆盖方式降减、
吸收城市空气颗粒物的作用,筛选优良的地表覆盖
方式,应用 Mulch覆盖技术,对缓解城市空气颗粒物
污染具有重要意义。
(5)主要空气颗粒物污染源周边防护林的设置
基于空气颗粒物扩散的规律,通过合理营建城
市森林能够使其向对人体有益的方向发展,因此,在
摸清树种、群落滞尘规律、城市森林内空气颗粒物的
扩散规律及其调控范围的前提下,可以根据功能需
要来选择适宜树种、最佳配置方式和适宜宽度营建
污染防护林。 对于空气污染物有时需要促进污染物
扩散,有时需要阻挡污染物扩散,还有时需要放进来
再吸收,要根据防护目标合理配置,最大限度发挥城
市森林减少颗粒物污染的生态服务功能。
(6)基于健康空气环境的各类风景游憩林营造
与管护
随着人们保健意识的增强和森林旅游的快速发
展,如何营造和管护游憩林已经成为城市林业工作
者面临的主要问题之一。 因此,结合已有研究成果,
在营造各类风景游憩林时,不仅要考虑选择调控空
气颗粒物能力强的树种和群落,还要综合考虑合理
的种植密度、郁闭结构和配置方式,同时要对林分进
行适当的疏伐和整枝,加强林下改造,拓展林下空
间,以达到消减空气颗粒物的最佳效果,为居民提供
比较洁净的游憩空间。
(7)城市森林调控空气颗粒物功能的科学评价
城市森林调控空气颗粒物的功能既包括其枝叶
吸滞粉尘的功能,又包括通过降低林内空气中的颗
粒物,调节空气质量的功能。 目前应用重量法分析
城市森林滞尘量的研究已颇为系统丰富,研究方法
也较为成熟,但鉴于植物滞尘是一个反复的过程,在
总的滞尘量估算时应当考虑到不同植物的滞尘周
期,否则其滞尘功能将被大大低估。 价值核算方面,
与城市森林滞尘的生态价值相比,城市森林通过降
尘净化空气减少粉尘对人体危害,降低疾病的发生
率及人体死亡率产生的经济价值要远远大于其本身
的生态价值,因此,在价值核算中经济价值不容
忽视。
在城市森林研究中,研究城市森林调控空气颗
粒物的功能并不是研究的最终目的,其关键在于如
何用研究成果来指导实践并应用到实际建设当中,
促进城市森林的健康发展和城市环境的最终改善。
基于目前城市森林调控空气颗粒物的研究成果还没
有得到广泛的应用,丞需进一步加强研究成果与具
体实践的结合,通过建立示范区带动科研成果的转
化与应用。
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1291摇 8期 摇 摇 摇 王晓磊摇 等:城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 杨永兴摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 愿期摇 渊圆园员源年 源月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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